CN107302043A - 一种具有量子阱保护层的发光二极管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体技术领域，尤其涉及一种具有量子阱保护层的发光二极管及其制备方法，其通过多量子阱结构层上、下分别设置上保护层和下保护层，将多量子阱结构层包覆在其中，借由第一子保护层与第二子保护层以及第三子保护层与第四子保护层结构与能障的变化，降低缺陷延伸至量子阱结构层，抑制电子溢流与溢流现象。且提高逆崩溃电压程度，降低反向溢出电流，加强了LED芯片在寿测检验上的强度。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，尤其涉及一种具有量子阱保护层的发光二极管及其制备方法，用于提高发光二极管的使用寿命。
背景技术
ESD失效是一种静电放电所引起的Chip破坏，在MOS IC的产品中非常重视此现象，对LED而言，因白光LED使用不导电的蓝宝石基板，而且基板与GaN等材料间因晶格不匹配会形成内部缺陷（如差排），对ESD的损害更为明显。静电放电可能产生半导体接合点（junction）立即失效或特性的永久漂移及潜在的损坏，这些现象都会导致器件衰减的速率增加。目前有几种现象可用来帮助判断Chip是否遭受静电破坏，譬如反向偏压漏电流增大、chip仅局部发光、chip表面出现局部熔融点等。有时，一开始的静电破坏的程度不高，LED的电特性、发光特性、chip表面完整性皆无异议，但这种破坏会因累积而逐渐明显，有时却也可能安然度过整个产品生命周期，因此造成产品的客退率忽高忽低。
发明内容
为解决上述技术问题，一种具有量子阱保护层的发光二极管，其依次包括N型半导体层、应力释放层、多量子阱结构层、低温P型层和P型半导体层，其特征在于：所述发光二极管还包括位于所述多量子阱结构层和低温P型层之间的上保护层以及位于应力释放层与多量子阱结构之间的下保护层，所述下保护层包括第一子保护层以及位于第一子保护层上的第二子保护层，所述上保护层包括第三子保护层以及位于第三子保护层上的第四子保护层。
优选的，所述第一子保护层的能级高于第二子保护层，所述第三子保护层的能级低于所述第四子保护层。
优选的，所述第一子保护层的能级等于所述第四子保护层的能级，所述第二子保护层的能级等于所述第三子保护层的能级。
优选的，所述第一子保护层为AlN子保护层，所述第二子保护层为GaN子保护层。
优选的，所述第三子保护层为GaN子保护层，所述第四子保护层为AlN子保护层。
优选的，所述第一子保护层与所述第四子保护层的厚度均为10Å~50Å。
优选的，所述第二子保护层与所述第三子保护层的厚度均为100Å~200Å。
优选的，所述应力释放层为Inx1Ga1-x1N/GaN超晶格结构，其中，0.02<x1<0.2。
优选的，该发光二极管还包括位于低温P型层和P型半导体层之间的电子阻挡层。
本发明还提供了一种具有量子阱保护层的发光二极管的制备方法，其至少包括如下步骤：
S1、生长N型半导体层；
S2、于所述N型半导体层上继续生长应力释放层；
S3、所述应力释放层生长结束后，于800℃~1000℃、纯氮气气氛下生长下保护层，所述下保护层包括第一子保护层以及位于第一子保护层上的第二子保护层；
S4、于所述下保护层上继续生长多量子阱结构层；
S5、所述多量子阱结构层生长结束后，于800℃~1000℃、纯氮气气氛下生长上保护层，所述上保护层包括第三子保护层以及位于第三子保护层上的第四子保护层；
S6、继续于上保护层上生长低温P型层和P型半导体层。
优选的，所述步骤S2于温度600~800℃，含氢气气氛下生长。
优选的，所述步骤S6还包括在低温P型层和P型半导体层之间生长电子阻挡层的步骤。
本发明至少具有以下有益效果：在多量子阱结构层上、下分别设置上保护层和下保护层，将多量子阱结构层包覆在其中，借由第一子保护层与第二子保护层以及第三子保护层与第四子保护层结构与能级的变化，降低缺陷延伸至量子阱结构层，抑制电子溢流现象。且提高逆崩溃电压程度，降低反向溢出电流，加强了LED芯片使用寿命。
附图说明
图1 本发明具体实施方式之发光二极管结构示意图。
图2 本发明具体实施方式之保护层、多量子阱结构层结构示意图。
图3 本发明具体实施方式之下保护层、多量子阱结构层、上保护层能级示意图。
图4 本发明具体实施方式之发光二极管的制备方法。
附图标注：100：N型半导体层；200：应力释放层；300：下保护层；310：第一子保护层；320：第二子保护层；400：多量子阱结构层；500：上保护层；510：第三子保护层；520：第四子保护层；600：低温P型层；700：P型半导体层；800：电子阻挡层。
具体实施方式
在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
本发明提供一种具有量子阱保护层的发光二极管，参看附图1~2，该发光二极管依次包括N型半导体层100、应力释放层200、多量子阱结构层400、低温P型层600和P型半导体层700，其中，N型半导体层100为n型掺杂的GaN层，主要用于提供电子，n型掺杂为硅、锗、锡、铅，优选为硅元素。
位于N型半导体上的应力释放层200为Inx1Ga1-x1N/GaN周期性结构，其中，0.02<x1<0.2，Inx1Ga1-x1N为应用释放层中的阱层，GaN为应力释放层200中的垒层，通过低掺杂量的阱层与GaN垒层的超晶格结构来改善N型半导体层100与多量子阱结构层400直接的晶格失配，其周期数为3~25，厚度为2nm~6nm。多量子阱结构层400为Inx2Ga1-x2N/GaN周期性结构，1>x2>x1，其周期数为3~25。
低温P型层600为低温生长的P型GaN层，P型半导体层700包括高温生长的P型GaN层和P型接触层，P型杂质为钙、镁、钡、锶，本实施例优选为镁。
本发明提供的发光二极管还包括位于多量子阱结构层400和低温P型层600之间的上保护层500以及位于应力释放层200和多量子阱结构层400之间的下保护层300。其中，下保护层300包括第一子保护层310以及位于第一子保护层310上的第二子保护层320，且第一子保护层310的能级高于第二子保护层320的能级。上保护层500包括第三子保护层510以及位于第三子保护层510上的第四子保护层520，但第三子保护层510的能级低于第四子保护层520的能级。本实施例优选的，第一子保护层310的能级与第四子保护层520的能级相同，第二子保护层320的能级与第三子保护层510的能级相同。
第一子保护层310的材料与第四子保护层520的材料可以相同或者不同，第二子保护层320的材料与第三子保护层510的材料也可以相同或者不同，本实施例优选的，第一子保护层310与第四子保护层520的材料相同，均为AlN子保护层，第二子保护层320的材料与第三子保护层510的材料相同，均为GaN子保护层。第一子保护层310与第四子保护层520的厚度均为10Å~50Å，第二子保护层320与第三子保护层510的厚度均为100Å~200Å。
本发明提供的发光二极管还包括位于低温P型层600和P型半导体层700之间的电子阻挡层800，电子阻挡层800为AlGaN单层或者AlGaN/GaN超晶格结构层或者AlInGaN/GaN超晶格结构。
参看附图3，由此，在多量子阱结构层400的上、下两侧形成能级的高低、低高的变化，有利于抑制电子溢出，将电子及空穴更好的限制在多量子阱结构层400中，增加电子与空穴的有效复合辐射效率。同时，依次设置第一子保护层310（即AlN子保护层）、第二子保护层320（即GaN子保护层）、多量子阱结构层400、第三子保护层510（即GaN子保护层）和第四子保护层520（即AlN子保护层）的生长顺序也是为了减少保护层与多量子阱结构层400之间的晶格失配，提高晶体质量，减少缺陷。
为了提高第一子保护层310与第二子保护层320，以及第三子保护层与第四子保护层直接的能级差最大，本发明的第一子保护层310与第四子保护层520为AlN子保护层，第二子保护层320与第三子保护层510为GaN子保护层，除因为AlN材料与GaN材料的能级差最大外，还因为AlN晶体具有高热导率(3.3W/cm•K)，相对于AlGaN材料更好，且三元系的AlGaN晶体结构中Al组分不易提高，由于Al原子的粘滞系数 Ga原子，AlGaN材料在制备过程中其表面随着Al组分的增大变得粗糙，甚至会产生表面开裂的问题。本发明的第一子保护层310与第四子保护层520采用AlN材料，不仅克服了AlGaN生长表面粗糙的问题，而且保证了其与GaN材料有最大的能级差。
本发明还提供了一种具有量子阱保护层的发光二极管的制备方法，参看附图4，其至少包括如下步骤：
S1、生长N型半导体层100；
S2、于所述N型半导体层100上继续生长应力释放层200；
S3、所述应力释放层200生长结束后，于800℃~1000℃、纯氮气气氛下生长下保护层300，所述下保护层300包括第一子保护层310以及位于第一子保护层310上的第二子保护层320，且第一子保护层310的能级高于第二子保护层320的能级；
S4、于所述下保护层300上继续生长多量子阱结构层400；
S5、所述多量子阱结构层400生长结束后，于800℃~1000℃、纯氮气气氛下生长上保护层500，所述上保护层500包括第三子保护层510以及位于第三子保护层510上的第四子保护层520，第三子保护层510的能级低于第四子保护层520的能级；
S6、继续于上保护层500上生长低温P型层600和P型半导体层700。
其中，步骤S2中应力释放层200在温度为600~800℃，其生长压力为100mbar~500mbar，应力释放层200为Inx1Ga1-x1N/GaN周期性结构，其中，0.02<x1<0.2，周期数为3~25，厚度为2nm~6nm，用于释放磊晶过程中产生的应力。
在步骤S6中还包括在低温P型层600和P型半导体层700之间生长电子阻挡层800，其为AlGaN单层或者AlGaN/GaN超晶格结构层或者AlInGaN/GaN超晶格结构。电子阻挡层800显著提高了导带底的电子势垒，可有效限制电子向P型半导体层700的泄露，同时减小了价带订的空穴势垒，可增强P型半导体层700的空穴向多量子阱结构层400的注入效率，改善其在量子阱内部的浓度分布。
下保护层300与上保护层500的生长条件相同，在纯氮气气氛下生长上保护层500和下保护层300的目的是为了减少氢气对于已长完的多量子阱结构层400的界面产生蚀刻作用，同时与多量子阱结构层400使用相同气氛，维持气流稳定性。
具体地，第一子保护层310与第四子保护层520的不仅生长条件相同，其材料也相同，均为AlN子保护层。同样的，第二子保护层320与第三子保护层510的生长条件及材料也均相同，第二子保护层320与第三子保护层510均为GaN子保护层。第一子保护层310与第四子保护层520的厚度均为0Å~50Å，第二子保护层320与第三子保护层510的厚度均为100Å~200Å。
本发明在多量子阱结构层400上、下分别设置上保护层500和下保护层300，将多量子阱结构层400包覆在其中，借由第一子保护层310与第二子保护层320以及第三子保护层510与第四子保护层520结构与能障的变化，降低缺陷延伸至量子阱结构层，抑制电子溢流与溢流现象。且提高逆崩溃电压程度，降低反向溢出电流，加强了LED芯片在寿测检验上的强度。
应当理解的是，上述具体实施方案为本发明的优选实施例，本发明的范围不限于该实施例，凡依本发明所做的任何变更，皆属本发明的保护范围之内。
Claims (12)
1.一种具有量子阱保护层的发光二极管，其至少包括N型半导体层、应力释放层、多量子阱结构层、低温P型层和P型半导体层，其特征在于：所述发光二极管还包括位于所述多量子阱结构层和低温P型层之间的上保护层以及位于应力释放层与多量子阱结构之间的下保护层，所述下保护层包括第一子保护层以及位于第一子保护层上的第二子保护层，所述上保护层包括第三子保护层以及位于第三子保护层上的第四子保护层。
2.根据权利要求1所述的一种具有量子阱保护层的发光二极管，其特征在于：所述第一子保护层的能级高于第二子保护层，所述第三子保护层的能级低于所述第四子保护层。
3.根据权利要求1所述的一种具有量子阱保护层的发光二极管，其特征在于：所述第一子保护层的能级等于所述第四子保护层的能级，所述第二子保护层的能级等于所述第三子保护层的能级。
4.根据权利要求3所述的一种具有量子阱保护层的发光二极管，其特征在于：所述第一子保护层为AlN子保护层，所述第二子保护层为GaN子保护层。
5.根据权利要求3所述的一种具有量子阱保护层的发光二极管，其特征在于：所述第三子保护层为GaN子保护层，所述第四子保护层为AlN子保护层。
6.根据权利要求1所述的一种具有量子阱保护层的发光二极管，其特征在于：所述第一子保护层与所述第四子保护层的厚度均为10Å~50Å。
7.根据权利要求1所述的一种具有量子阱保护层的发光二极管，其特征在于：所述第二子保护层与所述第三子保护层的厚度均为100Å~200Å。
8.根据权利要求1所述的一种具有量子阱保护层的发光二极管，其特征在于：所述应力释放层为Inx1Ga1-x1N/GaN超晶格结构，其中，0.02<x1<0.2。
9.根据权利要求1所述的一种具有量子阱保护层的发光二极管，其特征在于：该发光二极管还包括位于低温P型层和P型半导体层之间的电子阻挡层。
10.一种具有量子阱保护层的发光二极管的制备方法，其至少包括如下步骤：
S1、生长N型半导体层；
S2、于所述N型半导体层上继续生长应力释放层；
S3、所述应力释放层生长结束后，于800℃~1000℃、纯氮气气氛下生长下保护层，所述下保护层包括第一子保护层以及位于第一子保护层上的第二子保护层；
S4、于所述下保护层上继续生长多量子阱结构层；
S5、所述多量子阱结构层生长结束后，于800℃~1000℃、纯氮气气氛下生长上保护层，所述上保护层包括第三子保护层以及位于第三子保护层上的第四子保护层；
S6、继续于上保护层上生长低温P型层和P型半导体层。
11.根据权利要求10所述的一种具有量子阱保护层的发光二极管的制备方法，其特征在于：所述步骤S2于温度600~800℃，含氢气气氛下生长。
12.根据权利要求10所述的一种具有量子阱保护层的发光二极管的制备方法，其特征在于：所述步骤S6还包括在低温P型层和P型半导体层之间生长电子阻挡层的步骤。
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